瀏陽膨脹性紅砂巖邊坡工程地質(zhì)特征研究

 

 

摘  要：為了查明湖南瀏陽至醴陵高速公路紅砂巖邊坡破壞原因，在紅砂巖邊坡滑坍路段采集原狀和擾動樣，開展系統(tǒng)室內(nèi)試驗，研究了紅砂巖的基本物理性質(zhì)、物質(zhì)組n、崩解等特性，通過現(xiàn)場調(diào)查研究了膨脹性紅砂巖邊坡的工程地質(zhì)特征和邊坡破壞特征，初步提出路塹邊坡柔性支護的處治方案。

關(guān)鍵字：膨脹性紅砂巖；路塹邊坡

1.       前言

工程中經(jīng)常遇到膨脹性紅砂巖造n的工程建筑破壞情況，例如填筑路堤變形導(dǎo)致中斷、開挖路塹邊坡吸水膨脹失穩(wěn)、隧道圍巖向內(nèi)塑性擠壓破壞洞內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)、建筑地基不均勻沉降開裂等，因此，如何有效地處治工程中遇到膨脹性紅砂巖成為施工技術(shù)關(guān)鍵之一。

我國的南部地區(qū)(湖南、云南、四川等)廣泛分布著中新生代泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等沉積類巖石，由于含大量的氧化物顯紅色、深紅色或褐色，這類巖石統(tǒng)稱為紅砂巖。工程上通常按強度及其崩解特性把紅砂巖分為三類：（1）Ⅰ類，天然巖塊的單軸抗壓強度小于15Mpa，烘干后浸水24小時以內(nèi)，將呈現(xiàn)泥狀、泥狀或粒狀崩解跡2）Ⅱ類，天然巖塊的單軸抗壓強度在15Mpa附近或小于15Mpa，烘干后浸水24小時以內(nèi)，將呈現(xiàn)塊狀崩解；（3）Ⅲ類，天然巖塊的單軸抗壓強度大于15Mpa，難以崩解，且不崩解時與普通砂巖區(qū)別不明顯。

紅砂巖典型的結(jié)構(gòu)主要有兩種，分別是粒狀碎屑型和泥狀膠結(jié)型。粒妓樾夾偷暮焐把乙話愫有約5％～10％的粘土礦物含量。與多數(shù)的普通風(fēng)化砂巖相比，雖然膠結(jié)形式和粘土礦物含量有所差別，此類紅砂巖工程性質(zhì)相差不大，并與其風(fēng)化程度有關(guān)。泥狀結(jié)構(gòu)粘土型的紅砂巖，一般含有約15％～50％的粘土礦物含量，其中含5％～30％的伊利石，含3％～10％的蒙脫石，此類紅砂巖的水穩(wěn)性能差，極易軟化崩解，其工程性質(zhì)主要取決于粘土礦物含量，特別是親水性強的伊利石和蒙脫石的含量。

早在1984年蔣爵光等就對紅砂巖的工程性質(zhì)做過研究，并提出了點荷載指標與抗拉強度與抗壓強度之間的相關(guān)系數(shù)[2]；2005年朱珍德等通ヅ蛘禿焐把伊ρ特性實驗，研究了紅砂巖的初始吸水率與膨脹力的關(guān)系[3]；同年，喻澤紅等采用直剪實驗研究了不同和壓實度的紅砂巖風(fēng)化土的強度和變形特以及加筋對其工程特性的影響，提出壓實度對其峰值抗剪強度有著明顯相關(guān)關(guān)系[4]；2010年龔裔芳等通過室內(nèi)實驗研究了紅砂巖泥ゼ脅愕暮水量對其抗剪強度的變化規(guī)律，并分析了泥化夾層的物理力學(xué)性質(zhì)對其邊坡穩(wěn)定性的影響[5]。

瀏陽至醴陵高速公路K10+200-K10+340段邊坡在已經(jīng)做完骨架護坡防護之后2個月遭受大雨沖毀，需要更改方案進行防護。本文從紅砂巖巖性、工程地質(zhì)特征以及紅砂巖邊坡ニ特征角度分析其邊坡垮塌機理，力求尋找針對湖南紅砂巖邊坡的處治辦法。

2.       瀏醴高速公路紅砂巖路段概況

湖南全省紅砂巖分布總面積達43467km2，約占全省國土面積的20.5%。由紅砂巖構(gòu)成的大小盆地達80余個，其ブ饕的大型紅色盆地有8個，即沅(陵)麻(陽)盆地，洞庭盆地、長(沙)平(江)盆地、醴(陵)攸(縣)盆地、(湘)潭(湘)鄉(xiāng)盆地、株洲盆地、衡陽盆地和茶(陵)永(興)盆地。各盆地面積在948~18106km2之間。

20010年2月開工建設(shè)的湖南瀏陽至醴陵高速公路位于湖南中部瀏湘盆地，ピ膠焐把彝練植記，其中K10+218~K10+318開挖段上覆黃褐色、棕紅色粘土，下伏紅褐色、棕紅色粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖，經(jīng)檢驗，其中含有大量的紅砂巖。由于常規(guī)邊坡方防護加固結(jié)構(gòu)，如漿砌片石護面墻、擋土墻、抗滑樁等，屬于剛性支護結(jié)構(gòu)，不允許被支護體變形，若用于該路段邊坡支護，易積蓄過大膨脹能而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，而且無有效的防排水配套設(shè)施，難以保證邊坡的長期穩(wěn)定性。此路段右側(cè)邊坡坡高14m、坡長100m，原設(shè)計坡比為1：0.75，之前就已經(jīng)采用了拱形骨架護坡，處理后不久就出現(xiàn)大規(guī)模的坍塌，而且有逐步惡化的趨勢。

圖1  2011年8月K10+218~K10+318右側(cè)紅砂巖邊坡順層滑塌

3.       瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖巖性特征

圍繞瀏醴高速膨脹性紅砂巖邊坡垮塌<題，我們對其巖性展開了研究，分別在K11+600(深6m處)、K14+600(深8m處)、K12+100(深2.5m處)、K6＋300(深6m)四個點進行探測采樣。

表1為瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的工程分類結(jié)果。從表1可知四個點都為風(fēng)化砂巖，其中有兩個點為質(zhì)軟的Ⅰ類紅砂巖，一個為較為質(zhì)軟的Ⅱ類紅砂巖，一個為質(zhì)硬的Ⅲ類紅砂巖，其膠結(jié)程度大都為中膠結(jié)或者弱膠結(jié)。由此可見，瀏醴高速的紅砂巖大部分較質(zhì)軟，少數(shù)質(zhì)地堅硬。

表1瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的工程分類

表2為瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的基本物理性質(zhì)測試結(jié)果。從結(jié)果可以看出相對于于Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖，兩處Ⅰ類紅砂巖含水率更高，細粒含量更高，密度相對較低，這從基本物理性質(zhì)角度解釋Ⅰ類紅砂巖更為質(zhì)軟、Ⅲ類紅砂巖更為質(zhì)硬。

表2瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的基本物理性質(zhì)

   

對瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖試樣進行了崩解特性試驗，試驗結(jié)果見表3。從表中可以看出，相對于Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖，兩處Ⅰ類紅砂巖飽和時吸4率很高，崩解耐久性很低，崩解后為泥膏狀或者碎屑狀，而Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖基本不崩解，僅在表面有少量顆粒脫落。

表3瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的崩解特性

   

表4為瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的全巖礦物組成結(jié)果。相對于Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖，兩處Ⅰ類紅砂巖的赤鐵礦和粘土礦物含量很高，而石英、斜長石等質(zhì)地堅硬全巖礦物含量較低，從結(jié)構(gòu)組成角度進一步解釋了Ⅰ類紅砂巖的抗剪強度低的原因。

表4瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的全巖礦物組成

   

表5為粘土礦物含量測試結(jié)/。相對于Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖，兩處Ⅰ類紅砂巖的表面積較大，結(jié)構(gòu)更為松散，其蒙托石含量更高，蒙脫石分子吸收水分后會膨脹超過原體積的幾倍，其含量可作為判別是否為膨脹土的標準，故而Ⅰ類紅砂巖具和有弱、中膨脹土相同的膨脹性能。

表5瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的粘土礦物含量

   

4.       瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖工程地質(zhì)特征及所產(chǎn)生的工程問題

瀏醴高速1標至5標的紅砂巖主要分布于瀏湘盆地北部，屬于白堊紀沉積地層，其巖性主要為砂巖、石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖等。其中，砂巖、石英把業(yè)染哂辛Ｗ此樾冀峁?；泥质粉砂褤u⒛嘌業(yè)染哂心嘧唇航嶠峁梗但以粒狀碎屑結(jié)構(gòu)巖類為主。其構(gòu)造大都是緩傾斜或近水平產(chǎn)出的層理構(gòu)造、砂巖與泥質(zhì)砂巖互層狀層理構(gòu)造、泥化夾層構(gòu)造(圖3)，風(fēng)化帶節(jié)理發(fā)育。石英砂巖、砂巖邊坡地下水主要以巖石裂隙水為主，以大氣降水為補給，坡腳排泄，水量不大；當(dāng)?shù)乇砀采w有第四紀砂礫土類時，存在局部上層滯水，水量受大氣降水影響，雨季水量較大，坡腳排泄。

圖2  紅砂巖坍滑面節(jié)理構(gòu)造

一般來說，由石英砂巖、砂巖類紅砂巖組成的路塹邊坡較為穩(wěn)定，邊坡破壞主要以墜塊、局部崩塌等為主，但當(dāng)邊坡巖體中存在順層強風(fēng)化帶地質(zhì)界面及泥化夾層時，則易發(fā)生淺層坍滑破壞；當(dāng)路塹邊坡巖石由泥質(zhì)粉砂巖和泥巖組成時，由于該類巖石已屬于膨脹性巖土，邊坡的破壞將具有膨脹土邊坡滑坡破壞特征。

在1：1.5坡率的路塹邊坡上，頂部張拉滑裂面位置表明該類滑坡的滑坡體厚度小于2米(圖4)；頂部張拉滑裂面寬度20cm左右，反映該類滑坡規(guī)模不大，故而，紅砂巖邊坡破壞具有淺層性。紅砂巖邊坡破壞是由坡腳向坡頂逐步發(fā)展，哂α爍悶蘋檔那Ｒ性（圖5）。

   

圖3  紅砂巖邊坡破壞的淺層性             圖4  紅砂巖邊坡破壞的牽引性

 

咂綠灞礱嫻惱退趿遜歟反映該類邊坡巖體具有脹縮特性。紅砂巖中含蒙脫石是產(chǎn)生脹縮變形破壞的原因。紅砂巖通常要經(jīng)過反復(fù)的干濕循環(huán)作用才能發(fā)生崩解破壞，對于脹縮性紅砂巖邊坡淺表層暫時穩(wěn)定的坡面，3-5年后常常會嚴重的破壞。

紅砂巖邊坡破壞具有成群、滯后的噠鰨受風(fēng)化、巖性、構(gòu)造(順層滑塌)多因素的影響。湖南省境內(nèi)多條高速公路邊坡調(diào)查表明，不少紅砂巖路塹邊坡在通車運營一至三年后的雨季發(fā)生滑坍。

在實際工程中有很多處治膨脹性巖土邊坡滑坍的措施，基本可分為柔性和剛性兩種支護形式[6]。剛性支護是現(xiàn)今最常見的處治方法，它一般以圬工結(jié)構(gòu)物（重力式擋土墻、混泥土抗滑樁和片石護面墻等）為主體，并有其他相應(yīng)的輔助處理措施。其作用原理是以圬工體的重力來平衡整體失衡的邊坡體及其抵消在開挖時產(chǎn)生的超固結(jié)應(yīng)力釋放。剛性支護容許被支護體變形的能力很低，而在干濕循環(huán)以及水的作用下膨脹性紅砂巖會風(fēng)化崩解并產(chǎn)生膨脹，當(dāng)其膨脹量增大到一定程度卻得不到釋放時，將產(chǎn)生極大的膨脹應(yīng)力導(dǎo)致剛性支護的破壞。

柔性支護是以土工格柵反包加筋邊坡土體為主體，并輔以其它必要的排水措施的綜合處治技術(shù)。其特點是不僅能承受土體壓力并且容許土體產(chǎn)生相應(yīng)變形，并吸收變形土體的超固結(jié)應(yīng)力以及變形膨脹力。若膨脹土的容許線膨脹量達到0.3%，其膨脹力比相同情況下無膨脹變形的膨脹力低25%。因而非常合適用于處治瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖路塹邊坡滑坍問題。

為什么會提出采用柔性支護技術(shù)整治膨脹性紅砂巖塹坡滑坍，歸根結(jié)底是基于對該路段邊坡紅砂巖巖性的深刻認識以及對其破壞淺層性、漸進性等特點和規(guī)律的深入了解。將土工格柵逐層攤鋪錨固，回填壓實土形成相應(yīng)厚度的柔性加筋體，并輔以坡頂?shù)姆忾]措施和加筋體背部及基底的排水措施可發(fā)揮這些效用：格柵反包填土形成摩擦力和咬合力，格柵層間的聯(lián)接棒和U型釘?shù)穆?lián)接作用，使柔性加筋體構(gòu)成一整體來抵抗邊坡的滑坍；柔性支護容許路塹邊坡產(chǎn)生一定的變形，可釋放開挖其大部分應(yīng)力和膨脹力，實現(xiàn)“以柔克剛”；坡率為1:1.5、厚度不小于3.5m、高度不小于歐種二坡高的柔性加筋體能覆蓋住開挖邊坡的主要坡面，并有足夠的自重來抵抗土體壓力；足夠厚的加筋體（深于有效活動層）可杜絕或防止風(fēng)化作用對膨脹性紅砂巖的影響，阻止裂隙的發(fā)展以及淺表層滑坍。

5.       結(jié)論

由以上的巖性分析可知，瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖大都為較為質(zhì)軟的Ⅰ類和Ⅱ類紅砂巖，其含水率和飽和吸水率較高，抗剪性能差，粘土礦物含量以及蒙脫石含量已經(jīng)達到弱膨脹土的標準，具有相當(dāng)?shù)呐蛎浶阅?，其中Ⅰ類紅砂巖極易風(fēng)化崩解，形成軟弱的泥化夾層稍詒咂路闌すこ討校常常成為坍塌滑動結(jié)構(gòu)面。

瀏醴高速的紅砂巖路塹邊坡中的石英砂巖、砂巖類紅砂巖一般較為穩(wěn)定，破壞也只是墜塊、局部崩塌等輕微破壞，而巖體邊坡存在泥化夾層或順層強風(fēng)化地質(zhì)界面，則易發(fā)生淺層坍滑破，同時，瀏醴高速的紅砂巖路塹邊坡中的泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，具有一定的膨脹性，其邊坡的破壞特征將類似于膨脹土邊坡滑坡破壞。

瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖路塹邊坡破壞具有淺層性、牽引性、潛在性等與膨脹土路塹邊坡相似的破壞特性，因此提出柔性支護技術(shù)的整治方案。

 

[1]　JTG D30—2004, 公路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

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[3]  朱珍德，刑福東等.竹城公路高液限土與紅粘土路用性能的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（4）:596-600

[4]  喻澤紅，魏紅衛(wèi)，鄒銀生. 加筋紅砂巖風(fēng)化土強度和變形特性[J]，2005,24（15）：2770-2779

[5]  龔裔芳，金福喜. 紅砂巖泥化夾層力學(xué)特性及其潛咂攣榷ㄐ緣撓跋靃J].重慶交通大學(xué)學(xué)報,2010,29(2)220-223

[6]  鄭健龍, 楊和平. 公路膨脹土工程. 北京: 人民交通出版社, 2009